JP2019143212A - Electrolysis device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、陽極と陰極との間で水を電気分解する電気分解用デバイスに関する。 The present invention relates to an electrolysis device for electrolyzing water between an anode and a cathode.
従来から、たとえば、特許文献1に開示されているように、陽極と陰極との間で水を電気分解する電気分解用デバイスの開発が行われている。従来の電気分解用デバイスには、陽極用給電体およびその陽極用給電体の主表面に覆う陽極用表面材を有する陽極と、陰極用給電体およびその陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材を有する陰極を有している。
Conventionally, as disclosed in, for example,
前述の従来の電気分解用デバイスにおいては、イオン交換膜が、陽極用表面材に接触するように、かつ、陰極用表面材から距離を置いて、陽極および陰極のそれぞれに対向するように、陽極と陰極との間に配置されているものがある。この従来の電気分解用デバイスにおいては、陰極用表面材のイオン交換膜側の主表面に接触しながらその主表面に沿って流速が大きな水を流すことによって、陰極用表面材の近傍で発生した水素の水への溶解を促進させている。 In the above-described conventional electrolysis device, the ion exchange membrane is in contact with the anode surface material and at a distance from the cathode surface material so as to face each of the anode and the cathode. And the cathode. In this conventional electrolysis device, it was generated in the vicinity of the cathode surface material by flowing water with a large flow velocity along the main surface while contacting the main surface of the cathode surface material on the ion exchange membrane side. Promotes the dissolution of hydrogen in water.
上記した従来の電気分解用デバイスによれば、イオン交換膜が、陰極用表面材側に膨潤することによって、陰極用表面材の一部に接触してしまうことがある。この場合、イオン交換膜と陰極用表面材とが接触した部位で電流集中が生じる。その結果、陰極用表面材が劣化するおそれがある。 According to the above-described conventional electrolysis device, the ion exchange membrane may swell to the cathode surface material side, and may come into contact with a part of the cathode surface material. In this case, current concentration occurs at the site where the ion exchange membrane and the surface material for cathode contact. As a result, the surface material for cathode may be deteriorated.
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、陰極用表面材が劣化するおそれを低減することができる電気分解用デバイスを提供することである。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. And the objective of this invention is providing the device for electrolysis which can reduce a possibility that the surface material for cathodes may deteriorate.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係る電気分解用デバイスは、陽極と、陰極用給電体と、前記陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材と、を有する陰極と、前記陽極に接触し、かつ、前記陽極と前記陰極との間に前記陰極用表面材から距離を置いて配置されたイオン交換膜と、前記陰極用表面材と前記イオン交換膜との間の陰極用通水路に設けられたスペーサと、を備えている。 In order to solve the above problems, an electrolysis device according to a first aspect of the present invention includes an anode, a cathode power supply, and a cathode surface material covering a main surface of the cathode power supply. A cathode, an ion-exchange membrane that is in contact with the anode and disposed at a distance from the cathode surface material between the anode and the cathode, and the cathode surface material and the ion-exchange membrane. And a spacer provided in the cathode water passage.
本発明の第2の態様の電気分解用デバイスは、陽極と、前記陽極に向かって延びる貫通孔を有する陰極と、前記陽極と前記陰極との間に配置されたイオン交換膜と、前記陰極の両側に設けられ、前記貫通孔を経由して互いに連通した2つの陰極用通水路と、を備えている。 An electrolysis device according to a second aspect of the present invention includes an anode, a cathode having a through-hole extending toward the anode, an ion exchange membrane disposed between the anode and the cathode, and the cathode Two cathode water passages that are provided on both sides and communicate with each other via the through holes.
本発明の一態様に係る電気分解用デバイスによれば、陰極用表面材が劣化するおそれを低減することができる。 According to the electrolysis device according to one embodiment of the present invention, the risk of deterioration of the surface material for the cathode can be reduced.
以下、図面を参照しながら、実施の形態の電気分解用デバイスを説明する。 Hereinafter, an electrolysis device according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
各実施の形態において、同一の参照符号が付されている部位は、同一の機能を有するものとする。したがって、特に必要がなければ、同一参照符号が付された部位の機能の説明は繰り返さない。 In each embodiment, parts denoted by the same reference numerals have the same function. Therefore, unless otherwise necessary, the description of the function of the part to which the same reference numeral is attached will not be repeated.
図1〜図7を用いて、実施の形態の電気分解用デバイスを説明する。 The electrolysis device of the embodiment will be described with reference to FIGS.
(電気分解用デバイスの全体構成)
図1に示されるように、電気分解用デバイス1は、矩形の平板状の陽極用ケース1Aと矩形の平板状の陰極用ケース1Cとを備えている。図1に示される電気分解用デバイス1においては、図2に示される陽極用ケース1Aと図3に示される陰極用ケース1Cとは、互いの内側面を対向させるように一体化されている。
(Overall configuration of electrolysis device)
As shown in FIG. 1, the
(陽極用ケース)
図2、図4、および図5に示されるように、陽極用ケース1Aは、陽極2Aを収容し、電気分解用デバイス1の外郭の一部を構成する。陽極用ケース1Aの材質は、アクリル樹脂である。陽極用ケース1Aは、厚肉の矩形でかつ平板状の外観をなし、電気分解用デバイス1の内側面を構成する主表面に掘り込み加工によって形成された複雑な形状の陽極用ケース凹部1ACを有している。
(Anode case)
As shown in FIGS. 2, 4, and 5, the
図2および図4に示されるように、陽極用ケース凹部1ACは、電気分解用デバイス1の内側面の長手方向の一端部の近傍に配置された入水孔1AIを有している。陽極用ケース凹部1ACは、電気分解用デバイス1の内側面の長手方向の他端部の近傍に配置された出水孔1AOを有している。図4に示されるように、陽極用ケース凹部1ACは、電気分解用デバイス1の内側面の長手方向の中央と出水孔1AOとの間に配置された陽極導電線挿入孔1ALを有している。
As shown in FIG. 2 and FIG. 4, the anode case recess 1 </ b> AC has a
図4および図5に示されるように、陽極用ケース凹部1ACは、電気分解用デバイス1の内側面の長手方向の内側面の略中央に配置され、入水孔1AI、出水孔1AO、および陽極導電線挿入孔1ALを含む陽極用面状窪み1ADを有している。図2および図4に示されるように、陽極用ケース凹部1ACは、陽極用面状窪み1ADを取り囲むように、陽極用面状窪み1ADの外側に配置された環状のパッキン用窪み1APを有している。
As shown in FIGS. 4 and 5, anode case recess 1AC is arranged at substantially the center of the inner surface in the longitudinal direction of the inner surface of
図2および図4に示されるように、陽極用ケース凹部1ACは、出水孔1AOを含むが、陽極導電線挿入孔1ALを含まない領域において、陽極用面状窪み1ADよりもさらに電気分解用デバイス1の外側面に向かってくぼむバッファ用窪み1ABを有している。図2に示されるように、陽極用ケース凹部1ACは、バッファ用窪み1ABおよび陽極用面状窪み1ADよりも外側に位置付けられた環状のパッキン用窪み1APのさらに外側に配置された複数の陽極ケース固定用孔1AFを有している。 As shown in FIGS. 2 and 4, the anode case recess 1AC includes the water discharge hole 1AO, but in a region not including the anode conductive wire insertion hole 1AL, the device for electrolysis further than the anode planar depression 1AD. 1 has a buffer recess 1AB that is recessed toward the outer surface. As shown in FIG. 2, the anode case recess 1AC includes a plurality of anode cases disposed further outside the annular packing recess 1AP positioned outside the buffer recess 1AB and the anode planar recess 1AD. A fixing hole 1AF is provided.
図4および図5に示されるように、陽極用面状窪み1ADの内部には、円盤状の複数の陽極ケースリブ1ARが配置されている。図2および図4に示されるように、陽極用面状窪み1ADとバッファ用窪み1ABとは陽極ケース傾斜面1ASで接続されている。 As shown in FIGS. 4 and 5, a plurality of disk-shaped anode case ribs 1AR are arranged inside the anode surface depression 1AD. As shown in FIGS. 2 and 4, the anode depression 1AD and the buffer depression 1AB are connected by an anode case inclined surface 1AS.
(陰極用ケース)
図3〜図5に示されるように、陰極用ケース1Cは、陰極2Cと、複数、たとえば、3本のスペーサSとを収容し、電気分解用デバイス1の外郭の一部を構成する。陰極用ケース1Cの材質は、アクリル樹脂である。図3に示されるように、陰極用ケース1Cは、厚肉の矩形でかつ平板状の外観をなし、電気分解用デバイス1の内側面を構成する主表面に掘り込み加工によって形成された複雑な形状の陰極用ケース凹部1CCを有している。
(Cathode case)
As shown in FIGS. 3 to 5, the
図3および図5に示されるように、陰極用ケース凹部1CCは、電気分解用デバイス1の内側面の長手方向の一端部の近傍に配置される入水孔1CIを有している。陰極用ケース凹部1CCは、電気分解用デバイス1の内側面の長手方向の他端部の近傍に配置された出水孔1COを有している。図4に示されるように、陰極用ケース凹部1CCは、電気分解用デバイス1の内側面の長手方向の中央と出水孔1COとの間に配置された陰極導電線挿入孔1CLを有している。
As shown in FIG. 3 and FIG. 5, the cathode case recess 1CC has a water inlet hole 1CI disposed in the vicinity of one end portion in the longitudinal direction of the inner surface of the
図4に示されるように、陰極用ケース凹部1CCは、電気分解用デバイス1の内側面の略中央に配置され、入水孔1CI、出水孔1CO、および陰極導電線挿入孔1CLを含む陰極用面状窪み1CDを有している。図3および図4に示されるように、陰極用面状窪み1CDを取り囲むように、陰極用面状窪み1CDの外側に配置された環状のパッキン用窪み1CPを有している。
As shown in FIG. 4, the cathode case recess 1CC is disposed substantially at the center of the inner surface of the
図3および図4に示されるように、陰極用ケース凹部1CCは、出水孔1COを含む。しかしながら、陰極用ケース凹部1CCは、陰極導電線挿入孔1CLを含まない領域において、陰極用面状窪み1CDよりもさらに電気分解用デバイス1の外側面側に向かってくぼむバッファ用窪み1CBを有している。陰極用ケース凹部1CCは、バッファ用窪み1CBおよび陰極用面状窪み1CDを取り囲むように設けられている。陰極用ケース凹部1CCは、バッファ用窪み1CBおよび陰極用面状窪み1CDよりも外側に位置付けられた環状のパッキン用窪み1CPのさらに外側に配置された陰極ケース固定用孔1CFを有している。
As shown in FIGS. 3 and 4, the cathode case recess 1CC includes a water outlet hole 1CO. However, the cathode case recess 1CC has a buffer recess 1CB that is recessed further toward the outer surface of the
図4および図5に示されるように、陰極用面状窪み1CDの内部には複数の円盤状の陰極ケースリブ1CRが配置されている。円盤状の陰極ケースリブ1CRと円盤状の陽極ケースリブ1ARとは、図4および図5から分かるように、それぞれの円形の先端面が互いに対向するように設けられている。図3および図4に示されるように、陰極用面状窪み1CDとバッファ用窪み1CBとは陰極ケース傾斜面1CSで接続されている。 As shown in FIGS. 4 and 5, a plurality of disc-like cathode case ribs 1CR are arranged inside the cathode surface depression 1CD. As can be seen from FIGS. 4 and 5, the disc-shaped cathode case rib 1CR and the disc-shaped anode case rib 1AR are provided so that their circular tip faces face each other. As shown in FIGS. 3 and 4, the cathode recess 1CD and the buffer recess 1CB are connected to each other by a cathode case inclined surface 1CS.
(イオン交換膜)
図4および図5に示されるように、本実施の形態においては、イオン交換膜3は、陽極2Aと陰極2Cとの間に配置されている。より具体的には、図6に示されるように、イオン交換膜3は、陽極用表面材2ASに接触し、かつ、陰極用表面材2CSから距離を置いて配置されている。
(Ion exchange membrane)
As shown in FIGS. 4 and 5, in the present embodiment,
より具体的に言うと、本実施の形態のイオン交換膜3は、陽極2Aの近傍で発生した水素イオン、不可避の金属イオン、水分子、および酸素分子を通過させるが、カチオンを通過させないカチオン交換膜である。カチオン交換膜としては、たとえば、デュポン社の商品名「ナフィオン(R)」などが挙げられる。イオン交換膜3の厚さは、0.1mm程度である。イオン交換膜3は、薄肉の平面状の形状を有している。
More specifically, the
イオン交換膜3は、スルホ化されたテトラフルオロエチレンを基にしたフッ素樹脂の共重合体である。具体的には、イオン交換膜3は、ポリフルオロエチレンースルホン酸である。図4および図5に示されるように、イオン交換膜3の一方の主表面が陽極用表面材2ASの一方の全主表面に接触している。図5に示されているように、イオン交換膜3の他方の主表面の一部が、互いに距離を置いて設けられた複数のスペーサSに接触している。図4および図5に示されるように、イオン交換膜3の端部は、陽極2A(陽極用表面材2AS)および陰極2C(陰極用表面材2CS)の外周縁からさらに外方へ突出するように延びている。また、イオン交換膜3の端部は、陽極用ケース1A側のパッキンPおよび陰極用ケース1C側のパッキンPによって挟持されている。
The
(陽極用給電体<チタン面材>)
図6および図7に示される陽極用給電体2AFは、負の電荷を陽極用表面材2ASから受け取る。陽極用給電体2AFの厚さは、0.4mmである。陽極用給電体2AFは、薄肉平面状の形状を有している。図6および図7に示されているように、陽極用給電体2AFのイオン交換膜3に対向する主表面には、たとえば、1mm間隔でかつ直径1mmの貫通孔THAが形成されている。ただし、貫通孔THAは、たとえば、1nm〜1mm程度の孔径を有していればよい。陽極用給電体2AFの材質は、チタンと不可避の不純物とからなる。
(Power supply for anode <titanium face material>)
The anode power supply 2AF shown in FIGS. 6 and 7 receives negative charges from the anode surface material 2AS. The thickness of the anode power supply 2AF is 0.4 mm. The anode power supply 2AF has a thin planar shape. As shown in FIGS. 6 and 7, on the main surface of the anode power supply 2AF facing the
図6および図7に示されるように、陽極用給電体2AFの一方の主表面には陽極用表面材2ASが設けられている。陽極用給電体2AFの貫通孔THAの内周面の一部にも陽極用表面材2ASが設けられている。ただし、陽極用給電体2AFの貫通孔THAの内周面の全体に陽極用表面材2ASが設けられていてもよい。図4に示されるように、陽極用導電線2AEは、陽極導電線挿入孔1ALに挿入され、陽極用給電体2AFの他方の主表面に電気的に接続されている。図6および図7に示されるように、陽極用ケース1Aの陽極用面状窪み1ADから突出する複数の円盤状の陽極ケースリブ1ARが陽極用給電体2AFの他方の主表面に当接している。
As shown in FIGS. 6 and 7, an anode surface material 2AS is provided on one main surface of the anode power supply 2AF. An anode surface material 2AS is also provided on a part of the inner peripheral surface of the through hole THA of the anode power supply body 2AF. However, the anode surface material 2AS may be provided on the entire inner peripheral surface of the through hole THA of the anode power supply body 2AF. As shown in FIG. 4, anode conductive line 2AE is inserted into anode conductive line insertion hole 1AL and is electrically connected to the other main surface of anode power supply body 2AF. As shown in FIGS. 6 and 7, a plurality of disk-like anode case ribs 1AR protruding from the anode surface depression 1AD of the
(陽極用表面材<PtIr>)
陽極用表面材2ASは、2H2O→4H++O2+4e−の反応が行われる場所を提供する。陽極用表面材2ASの厚さは、0.1μmである。陽極用表面材2ASは、薄肉でかつ平面状の形状を有している。陽極用表面材2ASは、その主表面に微細な凹凸(図示せず)を有し、かつ、微細で連続する多数の空隙(図示せず)を有する。陽極用表面材2ASの材質は、白金とイリジウムとの合金である。図6および図7に示されるように、陽極用表面材2ASは、陽極用給電体2AFの一方の主表面の全体に接触するように設けられており、陽極用ケース1Aと陰極用ケース1Cとが組み合わされた状態で、イオン交換膜3にも接触している。ただし、陽極用表面材2ASは、陽極用給電体2AFの全表面に形成されていてもよい。
(Surface material for anode <PtIr>)
The anode surface material 2AS provides a place where a reaction of 2H 2 O → 4H + + O 2 + 4e − is performed. The thickness of the anode surface material 2AS is 0.1 μm. The anode surface material 2AS is thin and has a planar shape. The anode surface material 2AS has fine irregularities (not shown) on its main surface, and a large number of fine and continuous voids (not shown). The material of the anode surface material 2AS is an alloy of platinum and iridium. As shown in FIGS. 6 and 7, the anode surface material 2AS is provided so as to be in contact with the whole of one main surface of the anode power supply body 2AF. The
(陰極用給電体<チタン面材>)
陰極用給電体2CFは、負の電荷を陰極用表面材2CS(図6参照)に供給する。陰極用給電体2CFの厚さは、0.4mmである。陰極用給電体2CFは、薄肉平面状の形状を有している。陰極用給電体2CFのイオン交換膜3に対向する主表面に1mm間隔でかつ直径1mmの窪みDが形成されている。陰極用給電体2CFの窪みDを含まない位置のイオン交換膜3に対向する主表面に1mm間隔でかつ直径1mmの貫通孔THCが形成されている。ただし、窪みDおよび貫通孔THCのいずれか一方のみが陰極用給電体2CFに設けられていてもよい。また、貫通孔THCは、1nm〜1mm程度の孔径を有していればよい。陰極用給電体2CFの材質は、チタンと不可避の不純物とからなる。
(Power supply for cathode <Titanium face material>)
The cathode power supply 2CF supplies negative charges to the cathode surface material 2CS (see FIG. 6). The thickness of the cathode power supply 2CF is 0.4 mm. The cathode power supply body 2CF has a thin planar shape. Indentations D having a diameter of 1 mm and a distance of 1 mm are formed on the main surface of the cathode power supply 2CF facing the
図6および図7に示されるように、陰極用給電体2CFの一方の主表面に陰極用表面材2CSが設けられている。また、陰極用給電体2CFの窪みDおよび貫通孔THCの内周面の一部にも陰極用表面材2CSが形成されている。ただし、陰極用給電体2CFの貫通孔THCの内周面の全体に陰極用表面材2CSが設けられていてもよい。図4に示されるように、陰極用導電線2CEが、陰極導電線挿入孔1CLに挿入され、陰極用給電体2CFの他方の主表面に接続されている。図4に示されるように、陽極用ケース1Aと陰極用ケース1Cとが組み合わされた状態で、陰極用給電体2CFの他方の主表面に陰極用ケース1Cの陰極用面状窪み1CDから突出した複数の円盤状の陰極ケースリブ1CRが当接している。
As shown in FIGS. 6 and 7, a cathode surface material 2CS is provided on one main surface of the cathode power supply 2CF. Further, the cathode surface material 2CS is also formed on the recess D of the cathode power supply body 2CF and a part of the inner peripheral surface of the through hole THC. However, the cathode surface material 2CS may be provided on the entire inner peripheral surface of the through hole THC of the cathode power supply body 2CF. As shown in FIG. 4, the cathode conductive line 2CE is inserted into the cathode conductive line insertion hole 1CL and connected to the other main surface of the cathode power supply body 2CF. As shown in FIG. 4, in a state where the
(陰極用表面材<PtIr>)
陰極用表面材2CSは、2H++2e−→H2の反応が行われる場所を提供する。陰極用表面材2CSの厚さは、0.1μmである。陰極用表面材2CSは、薄肉でかつ平面状の形状を有している。陰極用表面材2CSは、その主表面に微細な凹凸(図示せず)を有し、かつ、微細で連続する空隙(図示せず)を多く有する。陰極用表面材2CSの材質は、白金とイリジウムとの合金である。図6および図7に示されるように、陰極用表面材2CSは、陰極用給電体2CFの一方の主表面の全体に接触するように形成されており、陽極用ケース1Aと陰極用ケース1Cとが組み合わされた状態で、スペーサSに接触している。ただし、陰極用表面材2CSは、陰極用給電体2CFの全表面に形成されていてもよい。
(Surface material for cathode <PtIr>)
The cathode surface material 2CS provides a place where the reaction of 2H + + 2e − → H 2 takes place. The thickness of the cathode surface material 2CS is 0.1 μm. The cathode surface material 2CS is thin and has a planar shape. The cathode surface material 2CS has fine irregularities (not shown) on its main surface and many fine and continuous voids (not shown). The material of the cathode surface material 2CS is an alloy of platinum and iridium. As shown in FIGS. 6 and 7, the cathode surface material 2CS is formed so as to be in contact with the whole of one main surface of the cathode power supply 2CF, and the
(スペーサ)
図4〜図7に示されるように、スペーサSは、陰極用表面材2CSとイオン交換膜3との間の陰極用通水路10Cに設けられている。そのため、スペーサSの存在によって、イオン交換膜3の膨潤に起因したイオン交換膜3と陰極用表面材2CSとの接触を抑制することができる。その結果、陰極用表面材2CSの劣化を抑制することができる。そのため、スペーサSとイオン交換膜3とが接触する部位の電流集中の発生を抑制することができる。
(Spacer)
As shown in FIGS. 4 to 7, the spacer S is provided in the
図6に示されるように、スペーサSと陰極用表面材2CSとの間には、水が流れる隙間Cが存在する。そのため、陰極用表面材2CSの全表面のうちのスペーサSによって覆われた部分にも、隙間Cを通じて水が流れ込む。そのため、陰極用表面材2CSが水に接触する面積の低減量を小さくすることができる。その結果、陰極2Cで発生する水素の量のスペーサSの存在に起因した低減量を小さくすることができる。また、本実施の形態においては、スペーサSの陰極用表面材2CSに対応する表面に形成された凹部が隙間Cとして機能している。また、陰極用表面材2CSの表面に形成された窪みDも隙間Cと同様の機能を発揮している。ただし、前述の隙間Cは、スペーサSまたは陰極用表面材2CSに意図的に形成された凹部ではなく、陰極用表面材2CSまたはスペーサSの不陸によって自然に生じたものであってもよい。たとえば、製造過程において陰極用表面材2CSの主表面に自然に形成されたボイド(PtIrめっきのボイド)が前述の隙間Cと同様の機能を発揮してもよい。
As shown in FIG. 6, there is a gap C through which water flows between the spacer S and the cathode surface material 2CS. Therefore, water flows into the portion covered by the spacer S in the entire surface of the cathode surface material 2CS through the gap C. Therefore, the reduction amount of the area where the cathode surface material 2CS comes into contact with water can be reduced. As a result, the reduction amount due to the presence of the spacer S in the amount of hydrogen generated in the
図4〜図7に示されるように、スペーサSの長手方向が陰極用通水路10Cの長手方向に沿って延びるように、スペーサSが陰極用通水路10Cに配置されている。そのため、スペーサSの存在に起因した通水抵抗を小さくすることができる。
As shown in FIGS. 4 to 7, the spacer S is arranged in the
また、スペーサSの長手方向が陰極用表面材2CSの長手方向に沿って延びるように、スペーサSが陰極用表面材2CSに接触している。そのため、陰極用表面材2CSの長手方向におけるイオン交換膜3のたわみを小さくすることができる。その結果、陰極用表面材2CSとイオン交換膜3との接触のおそれをさらに低減させることができる。
The spacer S is in contact with the cathode surface material 2CS so that the longitudinal direction of the spacer S extends along the longitudinal direction of the cathode surface material 2CS. Therefore, the deflection of the
図6および図7に示されるように、陰極用給電体2CFは、少なくともイオン交換膜3に対向する面に窪みDおよび貫通孔THCを有している。また、窪みDの内面および貫通孔THCの内面の一部が陰極用表面材2CSによって覆われている。そのため、窪みDおよび貫通孔THCの位置では、水の流速が他の位置と比較して若干遅くなる。その結果、窪みDおよび貫通孔THCの一部の位置で、水素をより多く発生させることができる。
As shown in FIGS. 6 and 7, the cathode power supply body 2CF has a recess D and a through hole THC at least on the surface facing the
図6に示されるように、スペーサSとイオン交換膜3とが接触している部分の面積が、スペーサSと陰極用表面材2CSとが接触している部分の面積よりも大きい。そのため、スペーサSと陰極用表面材2CSとが接触している部分の面積を小さくすることによって、陰極用表面材2CSのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積をより大きくすることができる。
As shown in FIG. 6, the area where the spacer S and the
より具体的には、スペーサSは、陰極用表面材2CSとイオン交換膜3との間に設けられており、陰極用表面材2CSとイオン交換膜3との間の距離、すなわち、陰極用通水路10C(P1)の幅を維持している。また、スペーサSは、イオン交換膜3と陰極用表面材2CSの部分的な接触を抑制することによって、接触箇所で生じる電流集中を回避している。スペーサSの形状は、図6に示されているように、台形断面の棒状部材である。スペーサSの両端が折り曲げ加工されて引掛り部(図2参照)となる。ただし、スペーサSは、長方形断面または円形断面を有する棒状部材であってもよい。
More specifically, the spacer S is provided between the cathode surface material 2CS and the
前述のことから分かるように、スペーサSと陰極用表面材2CSとが接触している部分の面積が、スペーサSとイオン交換膜3とが接触している部分の面積よりも小さい。具体的には、スペーサSのイオン交換膜3に接触する部位の幅は、たとえば、3mmである。スペーサSの陰極用表面材2CSと接触する部位の幅は、たとえば、2mmである。そのため、スペーサSが陰極用通水路10C(P1)に存在しても、陰極用表面材2CSのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積がより大きくなっている。スペーサSのイオン交換膜3に対向する部位に窪みDを有している。スペーサSの陰極用表面材2CSに対向する部位に窪みDを有している。スペーサSは、イオン交換膜3と陰極用表面材2CSとに挟まれている。この状態で、スペーサSの両端の引掛り部(図2参照)が陰極用ケース1Cに接触する。
As can be seen from the above, the area of the portion where the spacer S and the cathode surface material 2CS are in contact is smaller than the area of the portion where the spacer S and the
(陰極用通水路)
図6および図7に示されるように、2つの陰極用通水路10C(P1),10C(P2)は、陰極2Cの両主表面側に設けられ、貫通孔THCを経由して互いに連通している。そのため、貫通孔THCを経由して水が移動することにより、貫通孔THCの近傍で乱流が生じる。その結果、陰極2Cの近傍で発生した水素が陰極2Cの近傍に留まって凝集することを抑制することができる。したがって、水への水素の溶解が促進される。
(Cathode channel)
As shown in FIGS. 6 and 7, the two
図6から分かるように、貫通孔THCを横切る流路断面において、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の陰極用通水路10C(P1)の流路断面積が陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)の流路断面積よりも小さい。そのため、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の水の流速V1が陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の水の流速V2よりも大きい。その結果、貫通孔THCからイオン交換膜3に面する側の陰極用通水路10C(P1)へ水が流れ込むことより、発生した水素の水への溶解が促進される。
As can be seen from FIG. 6, the cross-sectional area of the
図6の貫通孔THCを横切る流路断面において、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)の流路断面積が陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の陰極用通水路10C(P1)の流路断面積よりも小さくてもよい。この場合、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の裏側の水の流速V2が陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の水の流速V1よりも大きくなる。そのため、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の陰極用通水路10C(P1)で発生した水素の一部が、貫通孔THCを通過するように移動し、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)で水に接触する。その結果、陰極2Cの近傍で発生した水素の凝集を抑制することができる。したがって、この場合においても、水素の水への溶解を促進させることができる。
In the cross section of the flow path crossing the through hole THC in FIG. 6, the flow path cross-sectional area of the
陰極2Cは、陰極用給電体2CFと、陰極用給電体2CFのイオン交換膜3に対向する表面を覆う陰極用表面材2CSとを含んでいる。貫通孔THCの内周面の一部または全部も陰極用表面材2CSによって覆われている。そのため、貫通孔THCの内部でも水素が発生するため、陰極2Cの水素が発生する部分の面積を大きくすることができる。その結果、水素の発生量を増加させることができる。
The
(電気分解用デバイスの組み立て)
陰極用給電体2CFの一方の主表面上に、電解めっきによって陰極用表面材2CSを析出させる。この際、陰極用給電体2CFの窪みDの表面と貫通孔THCの表面上にも陰極用表面材2CSを析出させる。なお、陰極用表面材2CSは貫通孔THCの一部または全部に析出されてもよい。
(Assembling the device for electrolysis)
A cathode surface material 2CS is deposited on one main surface of the cathode power supply 2CF by electrolytic plating. At this time, the cathode surface material 2CS is also deposited on the surface of the recess D of the cathode power supply body 2CF and the surface of the through hole THC. The cathode surface material 2CS may be deposited on part or all of the through hole THC.
陰極用給電体2CFが、陰極用面状窪み1CDに対して、陰極用表面材2CSを露出させるように設置される。この状態で、陰極用導電線2CEが、陰極導電線挿入孔1CLから陰極用ケース1Cの内側面のさらに内側に挿入され、陰極用給電体2CFに接続されている。
The cathode power supply 2CF is installed to expose the cathode surface material 2CS with respect to the cathode planar depression 1CD. In this state, the cathode conductive line 2CE is inserted further into the inner side surface of the
3つのスペーサSは、それぞれ、その長手方向を陰極用給電体2CFの長手方向に沿った状態で、陰極用給電体2CFの短手方向の両端部のそれぞれおよび陰極用給電体2CFの短手方向の中央に、略等間隔で陰極用表面材2CSの上に配置される。それにより、図2に示される状態が得られる。 Each of the three spacers S has its longitudinal direction along the longitudinal direction of the cathode power supply 2CF, and both end portions in the short direction of the cathode power supply 2CF and the short direction of the cathode power supply 2CF. Are arranged on the cathode surface material 2CS at substantially equal intervals. Thereby, the state shown in FIG. 2 is obtained.
その後、スペーサSの引掛り部(図2参照)が陰極用ケース1Cに接着剤によって固定される。この状態で、スペーサSの長手方向と陰極用表面材2CSの長手方向とが同一方向に沿っている。また、この状態で、スペーサSとイオン交換膜3とが接触する部分の面積は、スペーサSと陰極用表面材2CSとが接触する部分の面積よりも大きくなっている。
Thereafter, the hook portion (see FIG. 2) of the spacer S is fixed to the
パッキンPがパッキン用窪み1APに挿入される。この状態で、イオン交換膜3が陰極2Cの上に重ね合わされる。イオン交換膜3の周縁部は、パッキン用窪み1APよりも外側に位置付けられている。
The packing P is inserted into the packing recess 1AP. In this state, the
陽極用給電体2AFが、陽極用表面材2ASを露出するように、陽極用面状窪み1ADに配置される。この状態で、陽極用導電線2AEが、陽極導電線挿入孔1ALから陽極用ケース1Aの内側面のさらに内側に挿入され、陽極用給電体2AFに電気的に接続される。
The anode power supply 2AF is disposed in the anode surface depression 1AD so as to expose the anode surface material 2AS. In this state, the anode conductive wire 2AE is inserted further into the inner side surface of the
パッキンPがパッキン用窪み1APに挿入される。陽極用表面材2ASがイオン交換膜3に向けられた状態で、陰極用ケース1Cの内側面と陽極用ケース1Aの内側面とを互いに重ね合される。この状態で、円盤状の陰極ケースリブ1CRと円盤状の陽極ケースリブ1ARとは、ほぼ対向するように配置される。それにより、図3に示される状態が得られる。
The packing P is inserted into the packing recess 1AP. With the anode surface material 2AS facing the
図1に示される状態で、図示されないビスおよびナットが陰極ケース固定用孔1CFおよび陽極ケース固定用孔1AFに挿入されることによって、陰極用ケース1Cと陽極用ケース1Aとが固定される。
In the state shown in FIG. 1, by inserting screws and nuts (not shown) into the cathode case fixing hole 1CF and the anode case fixing hole 1AF, the
この状態で、図4および図5に示されるように、イオン交換膜3の外周の近傍がパッキンPによって挟持される。また、イオン交換膜3の中心付近が陽極用表面材2ASとスペーサSとによって支持される。このとき、図6〜図7に示されるように、イオン交換膜3は、陰極用表面材2CSから距離を置いて設けられる。
In this state, the vicinity of the outer periphery of the
(電解水生成装置への電気分解用デバイスの組み込み)
電気分解用デバイス1が電解水生成装置に取り付けられ、入水用パイプが入水孔1AIおよび入水孔1CIに取り付けられ、出水用パイプが出水孔1AOおよび出水孔1COに取り付けられる。ここで、出水孔1AO,1COが入水孔1AIおよび入水孔1CIよりも高くなるように配置される。この状態で、スペーサSの長手方向と陰極用通水路10C(P1),10C(P2)の長手方向とが同一方向に沿って延びている。外部導電線が陽極用導電線2AEおよび陰極用導電線2CEに接続され、かつ、電源に接続される。
(Incorporation of electrolysis device into electrolyzed water generator)
The
(電気分解用デバイスにおける電気分解の動作)
操作電源への通電により、電気分解用デバイス1の初期動作の確認が開始される。たとえば、陽極2Aと陰極2Cとの間に所定電圧を印加した際の電流値に基づいて、上記したそれぞれの外部導電線の外れ、イオン交換膜3と陰極2Cとの不適切な接触、および陰極用表面材2CSの劣化等の不具合の有無を判断する。このテストにおいて、異常が検出されたら、異常の報知が行われるとともに、電解水生成装置の動作が停止される。
(Operation of electrolysis in electrolysis device)
Confirmation of the initial operation of the
また、図4に示されるように、水が電気分解用デバイス1の中へ流れ込んだ後、入水孔1AIおよび入水孔1CI側から出水孔1AOおよび出水孔1CO側へ向かって流れ、電気分解用デバイス1の内部空間に充填される。このとき、水は、陰極用給電体2CFおよび陰極用表面材2CSの貫通孔THCの両側の陰極用通水路10C(P1),10C(P2)、ならびに、陽極用給電体2AFおよび陽極用表面材2ASの貫通孔THAの両側の陽極用通水路10Aを流れる。ここでは、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する主表面側を流れる水の流速V1(陰極用表面材2CSの露出面側の流速)のほうが、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する主表面の裏側を流れる水の流速V2(陰極用給電体2CFの露出面側の流速)よりも大きい。
Also, as shown in FIG. 4, after water flows into the
電気分解用デバイス1の電源がオンされると、電気分解によって主として、陰極用表面材2CSのイオン交換膜3に対向する主表面で、水素が生成される。ここで、水素が生成される部位は、陰極用表面材2CSに設けられた貫通孔THC、陰極用給電体2CFの窪みDに配置された陰極用表面材2CS、および、陰極用給電体2CFの貫通孔THCの内周面上に付着した陰極用表面材2CS上である。
When the power source of the
以下、実施の形態の電気分解用デバイス1の特徴的構成およびそれにより得られる効果を説明する。
Hereinafter, the characteristic configuration of the
(1) 電気分解用デバイス1は、陽極2A、陰極2C、イオン交換膜3、およびスペーサSを備えている。陰極2Cは、陰極用給電体2CFと、陰極用給電体2CFの主表面を覆う陰極用表面材2CSと、を有する。イオン交換膜3は、陽極2Aに接触し、かつ、陽極2Aと陰極2Cとの間に陰極用表面材2CSから距離を置いて配置されている。スペーサSは、陰極用表面材2CSとイオン交換膜3との間の陰極用通水路10Cに設けられている。
(1) The
上記の構成によれば、イオン交換膜3の膨潤に起因してイオン交換膜3と陰極用表面材2CSとが接触することを抑制することができる。そのため、陰極用表面材2CSの劣化を抑制することができる。
According to said structure, it can suppress that the
(2) スペーサSと陰極用表面材2CSとの間には、水が流れる隙間Cが存在することが好ましい。これによれば、陰極用表面材2CSの全表面のうちのスペーサSによって覆われた領域の表面上にも、隙間Cを通じて水が流れ込む。そのため、陰極用表面材2CSが水に接触する面積がスペーサSの存在に起因して低減される量を小さくすることができる。その結果、陰極2Cで発生する水素の量のスペーサSの存在に起因した低減量を小さくすることができる。
(2) It is preferable that a gap C through which water flows exists between the spacer S and the cathode surface material 2CS. According to this, water also flows through the gap C on the surface of the region covered with the spacer S of the entire surface of the cathode surface material 2CS. Therefore, the amount by which the area where the cathode surface material 2CS is in contact with water due to the presence of the spacer S can be reduced. As a result, the reduction amount due to the presence of the spacer S in the amount of hydrogen generated in the
(3) スペーサSの長手方向が陰極用通水路10Cの長手方向に沿って延びるように、スペーサSが陰極用通水路10Cに配置されていることが好ましい。これによれば、スペーサSの存在に起因して増加する通水抵抗を極力小さくすることができる。
(3) It is preferable that the spacer S is arranged in the
(4) スペーサSの長手方向が陰極用表面材2CSの長手方向に沿って延びるように、スペーサSが陰極用表面材2CSに接触していることが好ましい。これによれば、陰極用表面材2CSの長手方向におけるイオン交換膜3のたわみを小さくすることができる。そのため、陰極用表面材2CSとイオン交換膜3との接触のおそれをさらに低減させることができる。
(4) It is preferable that the spacer S is in contact with the cathode surface material 2CS so that the longitudinal direction of the spacer S extends along the longitudinal direction of the cathode surface material 2CS. This can reduce the deflection of the
(5) 陰極用給電体2CFは、少なくともイオン交換膜3に対向する主表面に窪みDおよび貫通孔THCのうちの少なくともいずれか一方を有していることが好ましい。また、窪みDおよび貫通孔THCのうちの少なくともいずれか一方の内面の少なくとも一部が陰極用表面材2CSによって覆われていることが好ましい。これによれば、窪みDおよび貫通孔THCのうちの少なくともいずれか一方の位置では、水の流速が他の位置と比較して遅くなる。そのため、窪みDおよび貫通孔THCのうちの少なくともいずれか一方の位置で、水素をより多く発生させることができる。
(5) The cathode power supply 2CF preferably has at least one of the recess D and the through hole THC on at least the main surface facing the
(6) スペーサSと陰極用表面材2CSとが接触している部分の面積がスペーサSとイオン交換膜3とが接触している部分の面積よりも小さいことが好ましい。これによれば、スペーサSと陰極用表面材2CSとが接触している部分の面積を小さくすることによって、陰極用表面材2CSのうちの水素の発生に有効に機能する部分の面積をより大きくすることができる。
(6) It is preferable that the area of the part where the spacer S and the cathode surface material 2CS are in contact is smaller than the area of the part where the spacer S and the
(7) 電気分解用デバイス1は、陽極2A、陰極2C、イオン交換膜3、および2つの陰極用通水路10C(P1),10C(P2)を備えている。陰極2Cは、陽極2Aに向かって延びる貫通孔THCを有する。イオン交換膜3は、陽極2Aと陰極2Cとの間に配置されている。2つの陰極用通水路10C(P1),10C(P2)は、陰極2Cの両側に設けられ、貫通孔THCを経由して互いに連通している。これによれば、貫通孔THCを経由して水が2つの陰極用通水路10C(P1),10C(P2)の間で移動することにより、貫通孔THCの近傍で乱流が生じる。そのため、陰極2Cの近傍で発生した水素が陰極2Cの近傍に留まって凝集することを抑制することができる。その結果、発生した水素の水への溶解が促進される。
(7) The
(8) 陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の陰極用通水路10C(P1)の流路断面積が、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)の流路断面積よりも小さくてもよい。これによれば、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する陰極用通水路10C(P1)の表面側を流れる水の流速V1が陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)を流れる水の流速V2よりも大きい。そのため、イオン交換膜3に面する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)から貫通孔THを経由してイオン交換膜3に面する表面側の陰極用通水路10C(P1)へ水が流れ込むことより、発生した水素の水への溶解が促進される。
(8) The cross-sectional area of the
(9) 陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)の流路断面積が、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の陰極用通水路10C(P1)の流路断面積よりも小さくてもよい。これによれば、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の陰極用通水路10C(P2)を流れる水の流速V2が陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P1)を流れる水の流速V1よりも大きい。そのため、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面側の陰極用通水路10C(P1)で発生した水素の一部が、貫通孔THCを通過するように移動し、陰極2Cのイオン交換膜3に対向する表面の裏側の陰極用通水路10C(P2)で水に接触する。そのため、陰極2Cの近傍で発生した水素の凝集を抑制することができる。その結果、発生した水素の水への溶解を促進させることができる。
(9) The cathode cross-sectional area of the
(10) 陰極2Cは、陰極用給電体2CFと、陰極用給電体2CFのイオン交換膜3に対向する主表面を覆う陰極用表面材2CSとを含んでいてもよい。貫通孔THCの内周面の少なくとも一部も陰極用表面材2CSによって覆われていることが好ましい。これによれば、貫通孔THCの内部でも水素が発生するため、陰極2Cの水素が発生する部分の面積を大きくすることができる。
(10) The
1 電気分解用デバイス
2A 陽極
2C 陰極
2CF 陰極用給電体
2CS 陰極用表面材
3 イオン交換膜
10C(P1),10C(P2) 陰極用通水路
D 窪み
S スペーサ
THC 貫通孔
V1,V2 水の流速
DESCRIPTION OF
Claims (10)
陰極用給電体と、前記陰極用給電体の主表面を覆う陰極用表面材と、を有する陰極と、
前記陽極に接触し、かつ、前記陽極と前記陰極との間に前記陰極用表面材から距離を置いて配置されたイオン交換膜と、
前記陰極用表面材と前記イオン交換膜との間の陰極用通水路に設けられたスペーサと、を備えた、電気分解用デバイス。 The anode,
A cathode having a cathode power supply, and a cathode surface material covering a main surface of the cathode power supply;
An ion exchange membrane in contact with the anode and disposed at a distance from the cathode surface material between the anode and the cathode;
An electrolysis device, comprising: a spacer provided in a cathode water passage between the cathode surface material and the ion exchange membrane.
前記窪みおよび前記貫通孔のうちの少なくともいずれか一方の内面の少なくとも一部が前記陰極用表面材によって覆われている、請求項1〜4のいずれかに記載の電気分解用デバイス。 The cathode power supply has at least one of a recess and a through hole on at least a main surface facing the ion exchange membrane,
The device for electrolysis according to any one of claims 1 to 4, wherein at least a part of an inner surface of at least one of the recess and the through hole is covered with the surface material for a cathode.
前記陽極に向かって延びる貫通孔を有する陰極と、
前記陽極と前記陰極との間に配置されたイオン交換膜と、
前記陰極の両側に設けられ、前記貫通孔を経由して互いに連通した2つの陰極用通水路と、を備えた、電気分解用デバイス。 The anode,
A cathode having a through hole extending toward the anode;
An ion exchange membrane disposed between the anode and the cathode;
An electrolysis device comprising two cathode water passages provided on both sides of the cathode and communicating with each other via the through hole.
前記貫通孔の内周面の少なくとも一部も前記陰極用表面材によって覆われている、請求項8または9に記載の電気分解用デバイス。 The cathode includes a cathode power supply, and a cathode surface material covering a main surface of the cathode power supply facing the ion exchange membrane,
The device for electrolysis according to claim 8 or 9, wherein at least a part of an inner peripheral surface of the through hole is also covered with the surface material for a cathode.
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